Dep´ositos de utiliza¸c˜ao ”Standard”e suas caracter´ısticas

Um dep´osito ”standard”utilizado nos sistemas solares t´ermicos tem a seguinte constitui¸c˜ao: - dois permutadores de calor para as duas fontes de calor (solar e o apoio

consumindo combustiveis f´osseis);

- liga¸c˜ao directa para o reservat´orio de ´agua fria; - press˜ao de operador do tanque, varia entre 4 e 6 bar.

Para dimensionar um dep´osito deste tipo, ´e necess´ario saber algumas informa¸c˜oes acerca da instala¸c˜ao e ter alguns aspectos em considera¸c˜ao. Uma das considera¸c˜oes a ter em aten¸c˜ao num sistema solar t´ermico ´e a capacidade de acumula¸c˜ao que deve ser de 1,5 a 2 vezes a quantidade de ´agua quente di´aria utilizada. De salientar, que numa instala¸c˜ao de ´agua quente solar, em que o destino de consumo seja aquecimento de ´agua para banhos (como se verifica neste trabalho), o volume de ´agua final dever´a ser de 50 a 70 litros por pessoa (valores m´edios) para o dimensionamento da instala¸c˜ao. A capacidade do dep´osito acumulador, n˜ao dever´a ser muito elevado pois consegue absorver grandes quantidades de energia, contudo se a instala¸c˜ao possuir um campo de colectores constante, a frequˆencia de utiliza¸c˜ao do sistema de apoio aumenta porque, o n´ıvel da temperatura no tanque de armazenamento ´e menor que num tanque menor.

Deve-se ter em considera¸c˜ao, que se o dep´osito de ´agua servir de dep´osito de ´agua pot´avel, a temperatura dever´a ser limitada a cerca de 60o_{C, devido ao facto do}

calc´ario precipitar a altas temperaturas podendo,sob pena da superf´ıcie do permutador de calor ser bloqueada. Para al´em do calc´ario se depositar gradualmente na base do dep´osito de armazenamento.

3.7. DEP ´OSITOS DE ´AGUAS SANIT ´ARIAS 47

A caracteriza¸c˜ao dos elementos constituintes dos dep´ositos de acumula¸c˜ao bem como a sua performance, ´e dada pelos seguintes itens:

1 - limita¸c˜oes do dep´osito de armazenamento de ´agua quente; 2 - caracteriza¸c˜ao da placa deflectora na entrada de ´agua fria; 3 - extrac¸c˜ao de ´agua quente;

4 - caracteriza¸c˜ao dos permutadores de calor e respectivas liga¸c˜oes; 5 - isolamento dos dep´ositos de armazenamento;

6 - sensor de temperatura para os tanques de armazenamento para o circuito solar; 7 - sensor de temperatura do tanque de armazenamento para o aquecimento

adicional.

Item 1 : o dep´osito de acumula¸c˜ao dever´a ser dimensionado para armazenar uma quantidade de ´agua de cerca de dois dias do consumo di´ario, devido `a varia¸c˜ao di´aria da radia¸c˜ao solar. O utilizador ao abrir uma torneira onde exista ´agua quente, est´a a colocar ´agua fria na parte inferior do dep´osito de armazenamento. Existindo desta forma num dep´osito ´agua fria, morna e quente. Este fen´omeno de nome estratifica¸c˜ao 3.15 ocorre devido ao facto da ´agua no interior do dep´osito ter densidades diferentes. Na ´agua quente, quanto mais quente est´a, menos densa esta se encontra, concentrando-se assim no topo do dep´osito, por outro lado a ´agua quanto mais fria mais densa concentrando-se assim na parte inferior do dep´osito. Este fen´omeno ´e uma condi¸c˜ao fundamental para o bom funcionamento do sistema solar t´ermico.

Estas afirma¸c˜oes podem ser mostradas da seguinte forma, como exemplo:

A energia contida num dep´osito de armazenamento com estratifica¸c˜ao, de 300 litros e para uma temperatura desejada de 60o_{C sendo que a ´agua de entrada tem uma}

temperatura de 15o_{C ´e dada por:}

Q = m × CH2O× 4T (3.3)

Sendo:

- Q ´e a quantidade de calor (Wh); - m ´e a massa (kg);

- CH2O ´e o calor espec´ıfico da ´agua (1,16) W h/kgK;

- 4 T ´e varia¸c˜ao de temperatura (o_C).

Ent˜ao para um diferencial de temperatura de 45o_{C, obt´em-se para a situa¸c˜ao da}

figura 3.15:

Q= 100 × 1, 16 ×0 + 100 × 1, 16 ×15 + 100 × 1, 16 ×45 ⇔ Q = 6960W h Esta ´e a energia acumulada num dep´osito estratificado.

Se a mesma quantidade for carregada num dep´osito sem estratifica¸c˜ao t´ermica, logo a temperatura ´e uniforme. Esta temperatura ser´a dada por:

Tm= Q m × CH2O × T0 ⇔ Tm = 6960 300 × 1, 16+ 15 ⇔ Tm= 35 o_{C (3.4)}

Como poderemos ver, com a mesma energia num dep´osito que n˜ao seja estratificado, ser´a necess´ario que o apoio (aquecimento de apoio) eleve a temperatura 10o_C,

enquanto que por outro lado, no dep´osito com estratifica¸c˜ao o utilizador pode consumir 100 litros de ´agua a 60o_{C ou 150 litros a 45}o_{C sem que se tenha que utilizar}

o apoio reduzindo assim os custos com sistemas que funcionam com combust´ıveis f´osseis.

3.7. DEP ´OSITOS DE ´AGUAS SANIT ´ARIAS 49

Figura 3.15 – Dep´osito com estratifica¸c˜ao

Um dos objectivo desta disserta¸c˜ao ´e o dimensionamento do sistema solar t´ermico de produ¸c˜ao de ´agua quente para banhos logo, cada vez que um utilizador utiliza a ´agua quente, o sistema tem de criar condi¸c˜oes para que n˜ao se misture a ´agua fria da entrada com a ´agua quente que se encontra no interior do dep´osito de acumula¸c˜ao devendo-se manter uma boa estratifica¸c˜ao t´ermica. Para a cria¸c˜ao de uma boa estratifica¸c˜ao t´ermica, o dep´osito tem de ter uma estrutura vertical devendo ser a raz˜ao altura-diˆametro de pelo menos 2.5:1. A existˆencia de uma zona mais fria assegura a eficiˆencia do sistema solar t´ermico, mesmo em condi¸c˜oes de baixa radia¸c˜ao solar. Em algumas instala¸c˜oes em que o local de instala¸c˜ao ´e apertado, por vezes s˜ao utilizados dep´ositos ”delgados”, estes sistemas funcionam sem problemas, contudo, dever´a ter-se cuidado para n˜ao colocar o dep´osito inclinados apesar do dep´osito ser vertical sob pena de a estratifica¸c˜ao do dep´osito n˜ao seja a melhor como pode ser visualizado na figura 3.16.

Figura 3.16 – Dep´osito n˜ao estratificado

Item 2 : a placa deflectora na entrada de ´agua fria ´e um acess´orio que impede a mistura por turbulˆencia da ´agua fria que entra com a ´agua mais quente que se encontra nas camadas superiores. A principal fun¸c˜ao deste sistema ´e impedir a destrui¸c˜ao parcial da estratifica¸c˜ao t´ermica.

Item 3 : caracteriza a extrac¸c˜ao de ´agua quente. Como referido no ponto anterior, nos dep´ositos de acumula¸c˜ao convencionais, a ´agua quente ´e retirada do topo de dep´osito de acumula¸c˜ao. Ao sair ´agua quente do dep´osito forma-se ´agua morna nas tubagens, por arrefecimento. Se o design do dep´osito n˜ao for o mais apropriado podemos ter problemas durante a extrac¸c˜ao. Um dos problemas usuais ´e a sa´ıda de ´agua quente ser executada num tubo vertical, a consequˆencia ´e uma reentrada da ´agua morna, que provocar´a uma perturba¸c˜ao muito forte na estratifica¸c˜ao t´ermica. Desta forma, as perdas t´ermicas ser˜ao aumentadas podendo este aumento corresponder a de cerca de 15% das perdas totais do dep´osito de armazenamento.

3.7. DEP ´OSITOS DE ´AGUAS SANIT ´ARIAS 51

Figura 3.17 – Dep´osito com perdas de calor evit´aveis devido a design deficiente

Como solu¸c˜ao para este problema, a concep¸c˜ao do dep´osito dever´a ter a tubagem da ´agua quente dentro do dep´osito de acumula¸c˜ao desde o topo at´e a base atrav´es de uma flange na base ou fora do tanque em posi¸c˜ao descendente, dentro do isolamento t´ermico. Com esta solu¸c˜ao, as perdas de calor nas camadas estratificadas mais quentes referidas anteriormente, s˜ao evitadas aumentando desta forma o rendimento do sistema solar t´ermico. Outra solu¸c˜ao que minimizar´a as perdas mas numa menor magnitude, ser´a com a utiliza¸c˜ao de um sif˜ao (curvatura de 180o_{) no tubo de sa´ıda}

de ´agua quente.

Item 4 : caracteriza a influˆencia dos permutadores de calor. O posicionamento dos permutadores de calor para o circuito de aquecimento solar e do apoio, dever˜ao ser instalados com tubagem em cotovelo de forma a minimizar as perdas de calor no dep´osito. O permutador de calor do apoio, ser´a o que estar´a localizado na ´area superior do dep´osito, para que seja poss´ıvel garantir um aquecimento r´apido de um volume de ´agua suficiente para a utiliza¸c˜ao di´aria. No entanto, deve ser

salvaguardado a possibilidade do circuito prim´ario (circuito solar) armazenar energia na ´area da ´agua fria do dep´osito que se encontra na base.

Figura 3.18 – Dep´osito de dupla serpentina

Um exemplo deste tipo de permutador ´e o permutador de dupla serpentina 3.18

Item 5 : as perdas por isolamento defeituoso dos pontos caraterizantes de um sistema solar t´ermico, s˜ao bastante comuns neste tipo de instala¸c˜ao. O isolamento t´ermico, influˆencia claramente o rendimento de um dep´osito de acumula¸c˜ao, este deve ter uma espessura de cerca de 10cm nos lados e 15cm no topo e na base do dep´osito. O isolamento deve estar bem justo ao dep´osito para minimizar as perdas por convec¸c˜ao devendo ser realizado em materiais sem CFCs e PVCs tais como, a fibra de vidro ou o polietileno com condutividades t´ermicas (λ) inferiores a 0.035 W/mK. Um dep´osito de acumula¸c˜ao deve ter taxas de perdas de calor menores que 2 W/K para ser considerado um ”bom dep´osito de acumula¸c˜ao”. A t´ıtulo de exemplo

3.7. DEP ´OSITOS DE ´AGUAS SANIT ´ARIAS 53

para uma diferen¸ca de temperatura de 35 o_{K, um bom tanque, com uma taxa de}

perdas de 1.5 W/K em compara¸c˜ao com um dep´osito com uma taxa de 3 W/K, perde 450kWh por ano, significando em m´edia adicionar uma superf´ıcie de colectores com uma ´area de cerca de 1m2_.

Item 6 : O sensor de temperatura para os dep´ositos de acumula¸c˜ao (normalmente uma PT100), deve ser instalado na parte inferior do dep´osito a meio do permutador de calor do circuito solar. Ser´a este sensor que indicar´a `a bomba quando esta funcionar´a tornando-a eficiente. Desta forma quando s˜ao retiradas pequenas quantida- des de ´agua quente, o sistema tem possibilidade de a repor com o circuito solar. Na instala¸c˜ao, o instalador dever´a ter cuidado com m´as fixa¸c˜oes do sensor ou maus contactos que podem provocar funcionamentos intempestivos da bomba de circula¸c˜ao.

Item 7 : O sensor para o aquecimento adicional (apoio), disponibiliza a informa¸c˜ao da temperatura para o controlo do aquecimento, sendo atrav´es desta informa¸c˜ao que ´e ligado ou desligado o sistema de apoio. A instala¸c˜ao deste sensor pode ser realizada na mesma altura que o permutador de calor adicional ou mais alto e nunca abaixo deste.

Existem ainda outros tipos de dep´osito de acumula¸c˜ao no mercado entre os quais:

- dep´osito com cˆamara interna (ou dupla camisa); - dep´osito de serpentina simples ou dupla;

- dep´ositos ”tank in tank”;

- dep´ositos sem permutadores internos.

- Os dep´ositos com cˆamara interna ou dupla camisa, apresentam lateralmente uma cˆamara, onde pode circular o l´ıquido dos pain´eis solares sendo utilizados sobretudo em instala¸c˜oes de pequenas dimens˜oes. Estes dep´ositos s˜ao instalados em posi¸c˜ao

vertical ou horizontal. Na figura 3.19 apresenta-se o um dep´osito acumulador de cˆamara interna ou de dupla camisa:

3.7. DEP ´OSITOS DE ´AGUAS SANIT ´ARIAS 55

- Os dep´ositos de serpentina podem ser de serpentina simples ou dupla como representado na figura 3.18. O dep´osito de serpentina simples serve apenas para acumular calor, por outro lado, os dep´ositos de dupla serpentina al´em de acumularem a energia t´ermica, tamb´em aquecem a ´agua se necess´ario. S˜ao normalmente utilizados em instala¸c˜oes de pequena e m´edia dimens˜ao.

- Os dep´ositos combinados com contentor duplo, tamb´em chamados ”tank in tank”, ou seja dep´osito no dep´osito. S˜ao utilizados em instala¸c˜oes solares combinadas que produzem ´agua quente sanit´aria e aquecimento. ´E constitu´ıdo por dois dep´ositos um grande e um mais pequeno. O dep´osito de dimens˜oes superiores cont´em ´agua para fazer funcionar a instala¸c˜ao de aquecimento, por outro lado o dep´osito mais pequeno, cont´em ´agua para a alimenta¸c˜ao da instala¸c˜ao sanit´aria. Este tipo de dep´osito de acumula¸c˜ao torna a instala¸c˜ao mais simples de realizar, pois todos circuitos podem ser ligados directamente ao dep´osito:

- o circuito solar;

- o circuito de integra¸c˜ao do calor na caldeira; - o circuito da instala¸c˜ao de aquecimento; - o circuito de ´agua quente sanit´aria (AQS).

Na figura 3.20 apresenta-se o um dep´osito acumulador de ”tank in tank”:

Figura 3.20 – Dep´osito tank in tank

- Os dep´ositos sem permutadores internos, s˜ao constitu´ıdos por simples dep´ositos de acumula¸c˜ao, sendo a troca t´ermica com o l´ıquido dos pain´eis solares efectuada com permutadores externos. Este tipo de dep´ositos permite atrav´es de um permutador externo, a troca t´ermica de potˆencias mais elevadas e al´em desta vantagem, com um s´o permutador podem ser alimentados v´arios dep´ositos. Na figura 3.21 apresenta- se um permutador externo que, pode ser utilizado com um dep´osito simples sem permutador interno:

3.8. CARACTERIZAC¸ ˜AO DE PERMUTADORES 57

Figura 3.21 – Permutador externo